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帖子主题:无轴承旋翼技术 打开未来直升机之门

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无轴承旋翼技术 打开未来直升机之门

中国航空报讯:在直升机领域,无轴承旋翼作为第四代旋翼技术,散发着令直升机设计者痴迷的独特魅力。它结构简单、零件数目少、重量轻,又具有操纵功效高、敏捷性好、可靠性高、维护简单、较低的全寿命周期成本等优点,由于改善了直升机的机动性、敏捷性、可靠性、生存性和维护保障性,无轴承旋翼正逐步成为先进直升机首选的旋翼构型之一。

国外研究表明,无轴承桨毂与传统金属铰接式桨毂相比,构造简化,废阻下降,零件数目减少50%,重量下降20%以上,桨毂使用维护费用减少60%。但硬币都有正反面,由于桨毂力矩大,无轴承桨毂对强度提出了更高要求,同时它对阵风也更加敏感。

90年代群雄并起

国外无轴承旋翼研发进入黄金期

无轴承旋翼技术起步于20世纪70年代中期,通过理论与试验相结合,德国MBB公司、美国休斯飞机公司和西科斯基飞行器公司,都成功地发展了无轴承尾桨技术,分别应用到BO105、AH-64、S-76和UH-60等直升机上。20世纪80年代是无轴承尾桨技术发展的黄金时代,为无轴承旋翼的发展积累了技术基础。

对于无轴承旋翼技术,波音公司虽从70年代中后期就展开研究,但由于无轴承旋翼技术比无轴承尾桨技术复杂,它还涉及直升机的振动和飞行品质,因此80年代并未达到工程应用阶段。90年代,无轴承旋翼技术进入黄金发展时期,比较出色的有德国MBB发展的3吨级EC135、美国波音发展的MD900、西科斯基与波音联合发展的6吨级RAH-66、贝尔发展的8吨级AH-1Z/UH-1Y等型直升机。

1974年,波音公司开始无轴承旋翼技术研究,1976年以BO105直升机为验证平台,为了保持具有可靠的飞行品质,设计参数尽量和BO105无铰式旋翼一样。该无轴承旋翼1978年10月装于BO105上进行首飞,但在1982年因操作失误被损坏。之后,波音转而参加美国的ITR/FRR(集成技术旋翼/飞行研究旋翼)先进旋翼计划,在此基础上,波音与西科斯基公司转向联合进行美国LHX直升机计划——RAH-66“科曼奇”的无轴承旋翼设计与分析技术研究,先以4吨级S-76为平台,采用5片桨叶的无轴承旋翼改进构型。1991年8月,该计划项目在西科斯基公司完成旋翼塔试验,1992年进行了全尺寸NASA风洞试验和相应分析软件的验证考核,并成功应用于5吨级的RAH-66型号上,1995年完成旋翼塔试验,1996年实现首飞。

德国MBB公司,在20世纪60年代研究的无铰旋翼基础上,自1981年开始,以2吨级BO105为平台进行无轴承旋翼技术研究。实验型机于1984年实现首飞,并于1986年完成试验验证。推广应用到BO108,于1988年实现首飞。1992年,德国与法国直升机重组为欧洲直升机公司(现改名为空直),空直将此旋翼直径略微增大,应用于BO108的第三架原型机(直升机命名改为EC135)以后生产的旋翼上,即批量生产的3吨级警民用EC135直升机无轴承旋翼系统。

贝尔公司自20世纪70年代开始致力于复合材料在旋翼桨毂应用的研究,于1982年5月将四支臂整体柔性梁680旋翼装于贝尔222直升机实现首飞。之后在此基础上继续改进,将原来的四支臂整体柔性梁改为二对十字交叉叠置的柔性梁,装于贝尔公司的AH-1W机体上于1989年实现首飞。而后进一步改进,将柔性梁截面改为左右对称的双节点连接,并将此技术应用于1990年代BELL430和2000年代的AH-1Z直升机的无轴承旋翼。

休斯/麦道公司于1982年后期开始无轴承旋翼技术研究计划HARP,这是采用四片桨叶,独立的“十”字形截面柔性梁,该旋翼1985年装于MD500E直升机进行了首飞。然后,在此基础上,为降低噪声和振动,采用5片桨叶构型,柔性梁截面改为矩形,在旋翼塔和NASA风洞进行了全尺寸验证后,应用于MD900,并于1992年实现首飞。

目前无轴承旋翼构型已在国外许多直升机上应用,如:军用的RAH-66、AH-1Z、OH-1、EC635,民用的EC135、MD900、贝尔430等。其中欧洲的EC135已作为警用、医疗救护使用,年销量大于100架,国内已有多家单位采购,如广东公安、海尔等。美国方面的MD900、贝尔430、RAH-66、AH-1Z/UH-1Y都应用了无轴承旋翼,其中AH-1Z/UH-1Y最大起飞重量达到8.4吨,AH-1Z为武装性,UH-1Y为运输型。虽然美国的“科曼奇”已经下马,但通过该项目进行的大量无轴承旋翼技术研究并没有白白浪费,美国后期其他型号的应用都是得益于该项目的研究成果。另外应用无轴承旋翼构型还有日本的侦察型OH-1、俄罗斯的ANSAT等型直升机。

20年自主创新

国产无轴承旋翼研发奋力追赶

国内在无轴承旋翼技术的研究方面,也是先从尾桨着手,逐步发展到旋翼上来。由于工业基础落后以及研发起步晚等因素,中航工业直升机所在“九五”规划期间只进行了一些尾桨的简单小模型试验,“十五”期间进行了无轴承尾桨的全面技术攻关,实现了某型直升机无轴承尾桨的国产化研制,到“十一五”期间进行了前期的无轴承旋翼技术的基础研究,“十二五”期间正式开展了全尺寸旋翼的研制和装机验证。

从“九五”预研开始,直升机所先以无人直升机为背景,以突破柔性梁设计分析技术为重点,进行了小尺寸复合材料柔性梁、金属桨叶的无轴承尾桨系统和尾桨关键部件柔性梁刚度特性的初步研究。

在“十五”期间,直升机所以重点突破无轴承尾桨柔性梁设计、柔性梁典型段的制造和疲劳试验技术开展了无轴承尾桨的关键技术研究。在旋翼动力学设计方面,针对阻尼器的非线性力学模型进行了建模和软件开发,并且在基于商用软件的建模方法和工程修正技术方面进行了研究。

自“十一五”开始,直升机所进行无轴承旋翼技术基础研究,一方面在旋翼动力学研究中对无轴承缩比模型旋翼这种具有多路传力、柔性梁大变形、阻尼器非线性特点的旋翼,进行了深入分析。另一方面针对无轴承旋翼的典型元件进行了无轴承缩比模型旋翼的各类试验研究,例如,缩比模型柔性梁的强度摸底试验、疲劳试验以及模型旋翼的悬停试验,等等。

“十二五”期间,在前期研究基础上,在国家课题的继续支持下,无轴承旋翼研究直接面对型号应用,以国内目前已经成熟的直11为验证平台,针对该型号机进行完全能够直接装机的全尺寸旋翼设计研制。在此期间,先后完成了试验件的设计、生产以及各类刚度、静强度、首件疲劳试验,还有旋翼塔功能、性能、动特性、动载荷试验和20h初步耐久性试验考核,装机进行地面共振试验、地面长试。

2015年5月28日,安装无轴承旋翼的直11验证机悬停飞行取得成功,标志着中航工业直升机所完成了国家863课题规定的装机考核,无轴承旋翼研发获阶段性突破。与此同时,还进行了无轴承缩比模型的风洞吹风试验,从而在技术研究和试验条件两方面为下一步的飞行演示验证奠定了基础。

据直升机所无轴承旋翼项目总师胡和平介绍,随着直11验证机悬停飞行试验的成功,后期可根据需要应用于其他军民直升机型号的研发,市场应用十分广泛。

我国无轴承旋翼

技术特色及发展方向

旋翼系统是直升机的核心,直升机所的旋翼技术发展见证了国产直升机的创新历程,从铰接式桨毂、金属桨叶旋翼系统,到星形柔性桨毂、钛合金球柔性桨毂、全复合材料桨叶旋翼系统,再到大型复合材料桨叶、球柔性桨毂、无轴承尾桨等第三代旋翼系统,并且已广泛装机应用。

相比国外有些无轴承旋翼的柔性梁桨叶整体设计,国产无轴承旋翼采用的是柔性梁和桨叶分别独立设计。优点是技术发展空间更大,例如,在甲板、仓库等需要节省空间、具有极大优势的桨叶折叠技术中,这种独立设计将带来很大便利。对于先进气动外形桨叶的技术更新等情况,可以最大程度的利用前期积累的技术及成品。

与国际先进水平相比,国产无轴承旋翼技术仍存在着一定差距,国外无轴承旋翼已实现批量装机应用,而国内尚处于待飞行演示验证阶段。也可以这样说,国内的无轴承旋翼技术在技术层面上已经达到或接近国外水平,但在技术成熟度方面却仍落后许多年。国外在多年的型号应用中已经积累了许多宝贵的实践经验,与之相比,国产无轴承旋翼技术目前在型号应用方面的差距是显而易见的。

随着民用直升机的应用前景越发开阔,民众对直升机的性能和舒适性要求越来越高,低噪音低振动的“绿色旋翼”越来越受青睐。未来旋翼的发展必将朝着更智能、更舒适的方向发展,如基于主动控制技术的智能旋翼将大有作为。

无轴承旋翼是第四代直升机的重要标志之一,直升机所科研人员正在对无轴承旋翼技术、旋翼防除冰技术以及倾转旋翼技术、智能旋翼技术的研发进行集智,以便能应用于未来直升机型号发展,助推直升机产业进步。

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      2015/12/17 8:27:29

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